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農廢棄物研製纖維乙醇暨氫能社會願景

2019-03-28

白益豪 副教授兼能源中心主任

國立東華大學光電工程學系


       在尋求替代化石能源的眾多選項中,科學家已證實「氫能」是解決目前對化石燃料依賴性且最為經濟有效的再生能源 ,由於目前大約96%的氫氣都是由非再生來源所產生的。因此,發展幾乎無污染的再生能源產氫技術能減少台灣未來對進口能源的依賴性,有助於提升國家能源安全 ,同時也必揭開所謂氫經濟(Hydrogen Economy)的時代。使用氫能的首要考量為氫的儲存(包含低壓儲氫與高壓儲氫)、基處建設及供輸氫氣所隱藏的危險性與易燃等障礙,這降低氫能於應用上的廣度(如氫燃料電池或氫內燃機引擎)。因此以安全、經濟管理、成本與使用便利性等因素考量,選擇一種具有高能量密度且適合攜帶的液體燃料(如液態醇),最終在經觸媒催化或重組作用後能輕易即時生產氫氣是另一種可行的途徑。

        液態醇屬於富氫類燃料,特別是當原料來源是選擇非糧食作物後再經由轉換製得液態醇 (如利用木質纖維素等農作物廢棄物之第二代生質原料經生物化學、觸媒或熱化學路徑轉製成的生質乙醇),則可以避免「與人爭糧與糧爭地」等問題,此類型的能源亦屬於再生能源的一種。

        木質纖維素主要是由纖維素 (cellulose)、半纖維素(hemicellulose)以及木質素(lignin)三大部分所組成(圖1),依其種類以及來源的不同(包括木本、草本植物及農業廢棄物等)組成比例亦有所差異,其中常被使用的纖維素原料有稻桿(rice straw)、麥桿(wheat straw)、蔗渣(bagasse)與玉米穗軸(corn cobs )等農業廢棄物。根據台灣經濟研究院生物科技產業研究中心於農業廢棄物資源化趨勢簡析1報導曾指出全台灣每年產生的農業廢棄物中稻稈與稻殼就佔了39.6%。這對於東台灣有稻米的故鄉所稱的花東地區來說,可視為非常具有潛力可作為台灣發展纖維酒精的生產原料來源。

圖1 木質纖維素組成架構示意圖

來源: http://ifs101.pbworks.com/w/page/6703836/Alternative%20fuel%20vehicles%20-%20Sin

       將生質纖維原料轉化成乙醇,可分為兩個階段即醣化(accharification)與發酵(Fermentation)2。其中,木質纖維素醣化技術又稱作前處理技術,包含纖維素與半纖維素水解及木質素移除等三大類,可視為提高水解效率與降低生產成本之最有效程序3,然而木質纖維素內部結構彼此的交互作用(如半纖維素與木質素對於纖維素之護套效果)所導致的纖維素之結晶性與接觸表面積不足等問題,使得水解酵素無法有效地進入內層並對纖維素進行水解,因此前處理技術突顯格外重要,常見的方法包含物理法、化學法及生物法三大類。

        蒸汽爆裂法是處理木質纖維素最常使用之物理式前處理方法,主要是將木質纖維素之孔隙間佈滿高溫高壓蒸氣,再瞬間將其壓力釋放,此木質纖維素歷經爆炸性之減壓過程會使得原料孔隙間的水蒸氣急速膨脹,藉此膨脹所產生的剪應力來破壞半纖維素結構並伴隨攜出纖維素與木糖。但基於考量該法屬於高能耗系統,同時落實生態的永續性(Ecological sustainability),瞭解與評估「液態生物燃料技術」整個生命週期(Life Cycle Assessment, LCA)過程所直接與間接產生的溫室氣體排放量相對顯得格外重要,故透過生命週期評估法探討生質燃料對環境是否具備實質性效益將是未來人類落實生質能源應用的最後一哩路。

        由東華大學能源中心所設計的聚光型太陽熱能輔助高溫高壓反應器(如圖2所示),透過菲涅爾透鏡將太陽能聚焦至蒸汽爆裂反應器中,運用聚焦後的太陽熱能使稻稈木質纖維素之孔隙間佈滿高溫高壓蒸氣,再瞬間將其壓力釋放,此木質纖維素歷經爆炸性之減壓過程會使得原料孔隙間的水蒸氣急速膨脹,藉此膨脹所產生的剪應力來破壞半纖維素結構並伴隨攜出纖維素與木糖(五碳醣)。當木質纖維素經過醣化程序後,纖維素會被水解成葡萄醣(C6H12O6),而半纖維素則會水解成五碳醣(C5H10O5),接著可藉由共發酵技術利用酵母菌於特定環境下進行單醣轉換成纖維乙醇之生物化學反應4,再以濃縮蒸餾技術將水分移除來獲得可作為燃料等級的纖維乙醇,(如圖3)。

 

圖2聚光型太陽能輔助蒸汽爆裂系統與系統運作示意圖(來源:作者本人)

圖3為使用氣相沉析儀的火焰離子偵測器對纖維乙醇進行組成量測 (紅色圖塊為纖維乙醇訊號;黑色圖塊為工業乙醇訊號。(來源:作者本人)

        有鑑於初期的氫能社會階段使用的氫來源以化石性燃料為主,在針對邁向第二階段氫能社會時,當更謹慎思考所使用的燃料來源,其中利用液態生物醇燃料(如纖維乙醇)重組製氫被視為能貼近氫能社會中之零碳排放量之理想燃料物種,特別是乙醇因具有低的重組反應溫度,且相較於甲醇更不具有毒性,同時於生產與反應過程CO2產量略低,目前許多研究學者逐漸轉向乙醇重組製氫技術研究5


1李秉璋,“農業廢棄物資源化趨勢簡析”,台灣經濟研究院生物科技產業研究中心,(2013)。

2陳文恆、郭家倫、黃文松、王嘉寶,“纖維酒精技術之發展”,農業生技產業季刊,第9期 (2007)。

3J. D. McMillan, Enyzmatic Conversion of Biomass for Fuels Production, In M. E. Himmel, et al., eds. Enymatic Conversion of Biomass for Fuels Production, Vol. 566. ACS, Washington, DC (1994) 294-324.

4H. Z. Chen, S. Y. Jin, “Effect of ethanol and yeast on cellulase activity and hydrolysis of crystalline cellulose”, Enzyme and Microbial Technology 39 (2006) 1430-1432.

5P. D. Vaidya, A. E. Rodrigues, “Insight into steam reforming of ethanol to produce
hydrogen for fuel cells”, Chem. Eng. J. 117 (2006) 39-49.